基于I-ω法磁場辨識的無軸承異步電動機矢量控制

高劍，黃守道，蔡國洋

(湖南大學，湖南長沙410082)

摘要：集旋轉與懸浮于一體的無軸承異步電動機是一個非常復雜的非線性系統，電磁轉矩與徑向懸浮力的非線性解耦是實現電機穩定懸浮運行的基礎。氣隙磁場定同控制算法復雜，且沒有實現兩者的動態解耦。提出了基于轉矩繞組轉子磁場定向控制算法，徑向懸浮控制所需的氣隙磁場通過，I-ω實時辨識。仿真結果表明，電磁轉矩與徑向懸浮力實現完全解耦，驗證了所提方案的有效性。

    關鍵詞：無軸承異步電動機；磁場辨識；轉子磁場定向

    中圖分類號：TM343  文獻標識碼：A  文章編號： 004一7018(2010)04—0056—03

O引  言

    無軸承電機是集旋轉與懸浮于一體的新型電機，利用磁軸承結構和交流電機定子結構的相似性，把轉矩繞組和懸浮控制繞組共同繞制在電機的定子上，這樣就可以省去徑向軸承，使電機的軸向空間大幅度減少。與一般電機相比，無軸承電機是一個更復雜的多變量、強耦合、非線性系統。

    無軸承電機懸浮力是兩繞組磁場相互作用的結果，電磁轉矩與徑向懸浮力之間存在耦合，兩者的相互解耦是實現電機穩定懸浮運行的基礎。文獻[4～5]分別敘述了基于氣隙磁場定向的無軸承異步電動機的解耦控制，氣隙磁場定向控制算法復雜，且沒有實現兩者的完全解耦。文獻[6]雖然提出了基于轉子磁場定向的無軸承異步電動機控制，但其懸浮控制所需的轉矩繞組氣隙磁場通過定向后的轉子磁鏈和定子電流在線辨識，沒有實現兩者的完全解耦。

    基于此，本文提出了基于轉矩繞組轉子磁場定向控制算法。為了實現電磁轉矩與徑向懸浮力的完全解耦，根據文獻[7]描述的普通異步電機轉子磁鏈的間接觀測方法，依據轉子磁場定向控制的特點，將氣隙磁場辨識的I-ω法(定子電流和電機旋轉角速度)應用于無軸承異步電動機轉子磁場定向控制。仿真結果表明：電磁轉矩與徑向懸浮力實現完全解耦，系統具有良好的動、靜態性能。

1基本原理與數學模型

1．1基本原理

  如圖1所示，無軸承異步電動機的定子上有兩套繞組，4極轉矩繞組(用N4表示)和2極懸浮控制繞組(用Nx、Ny，表示)，如果北和M繞組沒有電流通過，轉  矩繞組產生的4極磁場均勻對稱，圖中區域1和區域2處的氣隙磁通密度相等，轉軸上無懸浮力產生。當札繞組上通入如圖l所示方向的電流時，繞組產生的2極磁場與原有的4極磁場疊加，使得區域1氣隙磁密增加，區域2氣隙磁密減少，不平衡的氣隙磁通密度使電機轉軸上產生出沿Y軸正方向的磁拉力。相反，如果在Ny繞組上通人反方向電流，合成的氣隙磁場將產生沿y軸負方向的磁拉力。同理，如果在Nx繞組通入電流就可以產生沿置軸方

向的磁拉力。因此，通過控制Nx和Ny繞組的電流就可以控制磁懸浮力的大小和方向，使電機獲得穩定懸浮運行。無軸承異步電動機電磁轉矩的產生與普通異步電機相同。

1．2數學模型

  無軸承異步電動機數學模型在靜止坐標系下的方程如下。

式中：下標1、2分別表示轉矩繞組和懸浮控制繞組的量；下標s、m、r分別表示定子、氣隙和轉子的量；

下標α、β分別表示靜止坐標系下α軸和β軸的量；下標z、y分別表示徑向水平和垂直方向的分量；文中其它處的量的下標均照此原則。ωr為轉子機械角速度；Te為電磁轉矩；TL為負載轉矩；J為轉動慣量；p為微分算子，p=d/dt；z為電機有效鐵心長度；r為轉子外徑；W1、W2分別為轉矩繞組和懸浮控制繞組每相匝數；μ0為真空中的磁導率，    由式(2)可知，徑向懸浮力是由定子上轉矩繞組和懸浮繞組產生的旋轉磁場相互調制產生的。假設懸浮控制繞組產生的磁場只起懸浮作用，即在轉子上不感應電流，則徑向懸浮力只與氣隙磁場和懸浮控制繞組電流有關，為了使徑向懸浮力可控，則需分別控制氣隙磁場和懸浮控制繞組電流。對氣隙磁場的控制有兩種方式：一種是采用氣隙磁場定向的方法，即旋轉坐標d軸方向與氣隙磁場重合，則徑向懸浮力只與懸浮控制繞組電流有關，而電磁轉矩只

與轉矩繞組電流有關，該方法智能實現電磁轉矩與徑向懸浮力的靜態解耦，而沒有實現兩者的完全動態解耦，動態懸浮性能較差；另一種是通過在線辨識，及時獲取氣隙磁鏈的幅值和相位，則電機的控制方法更具靈活性。

2 I—ω法氣隙磁場辨識

  無軸承異步電動機的旋轉數學模型與普通異步電機無異�，F將描述普通異步電機數學模型方程改寫如下。

圖中，k1=0.388,k2=0.00048,k3=0.023是坐標變換系數和與電機參數相關的系數。

3 控制系統

   普通籠型異步電機在轉子磁場定向旋轉坐標系d、q下的基本方程如下。

由間接型轉子磁鏈觀測式(10)可知，轉子磁鏈觀測只需兩個參數：電機定子電流和轉子旋轉角速度，與I-ω法所需參數完全吻合，系統成本****，且此方法精度較高。

    將氣隙磁場辨識的，I-ω法應用于無軸承電機轉子磁場定向控制，轉矩繞組采用轉子磁場定向控制，懸浮控制所需的轉矩繞組氣隙磁場通過，I-ω法適時辨識，其原理如圖3所示。

4仿真結果與分析

    為了驗證本文所提方法的有效性，以一樣機為例對所提出的矢量控制方法進行仿真。電機參數：額定電壓380 v，額定轉速1 400r／min；轉矩繞組：極對數為2，定子電阻13．83Ω，定子自感0 36 H，轉子電阻15.56 Ω，轉子自感O．36 H，定轉子間互感0．338 H；懸浮控制繞組：極對數為1，定子電阻3，23Ω，定子電感O．13 H；轉動慣量O 008 kg·m2，轉子重量3．8 kg。

    一開始，空載起動，在O．3 s后突加載6 N·m，仿真結果如圖4所示。

   由圖4可知，在轉子磁場定向下，在極短時間內(O．05 s)轉速達到了額定轉速，轉子x、y方向的徑向位移在經過一段時間的微振后趨于穩定；在O 3 s突加載后，轉速在一段時間的微振后重新趨于穩定，進一步說明了系統良好的調速性能，轉子z、y方向的徑向位移在加載前后幾乎沒什么變化，進一步驗證了此控制算法實現了電磁轉矩與徑向懸浮力的完全解耦，懸浮性能較佳。

    上述仿真結果表明，電機獲得了穩定懸浮運行，系統具有良好的動、靜態性能，基本達到了預期效果，進一步驗證了本文所提方案的可行性。

5結語

    目前，對這一復雜、強耦合的元軸承異步電動機廣泛采用的氣隙磁場控制算法復雜，沒有實現完全動態解耦。基于此，本文提出了基于轉矩繞組轉子磁場定向控制算法，懸浮控制所需的氣隙磁場由I-ω法適時辨識。仿真結果表明，電機獲得了良好的動、靜態性能，充分驗證了控制系統的有效性。